JP2014122577A - 内燃機関の燃焼制御装置 - Google Patents

Abstract

【課題】プラグ劣化を早期に検出して、失火発生を未然防止できる燃焼制御装置を提供する。
【解決手段】検出回路から取得する検出信号に基づいて点火プラグの放電時間を把握し、把握した放電時間が、運転条件毎に規定された限界値を下回るか否かを判定する処理（ＳＴ１〜ＳＴ２）と、判定結果の集計値に基づいて、点火プラグが使用限界を超えて劣化しているか否かを判定する処理（ＳＴ３〜ＳＴ４）と、点火プラグが劣化している判定される場合には、その後は、目標値を抑制した燃焼制御を実行することで失火の回避を図る処理（ＳＴ５）と、を備える。
【選択図】図３

Description

本発明は、自動車エンジンなどの内燃機関の燃焼制御装置に関し、特に、点火プラグの劣化を早期に検出して、失火を未然防止するべく動作する燃焼制御装置に関する。

内燃機関は、燃焼室に混合気が導入された状態で、点火プラグを点火放電させて混合気の燃焼を開始させている。このように、点火プラグは、点火サイクル毎に点火放電を繰り返すので、その劣化が避けられず、自ずと使用限界が存在する。

しかし、運転態様や運転環境は、使用者毎に相違するので、点火回数などに基づいて、点火プラグの使用限界を単純に規定することはできず、劣化した点火プラグが使用され続ける場合もある。

点火プラグが劣化すると、点火プラグのプラグギャップが広い分だけ、絶縁破壊電圧が増加し、点火放電を持続する放電時間も短くなる。そのため、例えば、高ＥＧＲ（Exhaust Gas Recirculation ）領域では、気筒内流速が早いことに起因して、失火状態となりやすい傾向となる。また、アクセルペダルが踏み込まれる高負荷域では、筒内圧力が高いため、絶縁破壊電圧が更に増加する上に放電時間も短くなるので、特に失火しやすいという問題がある。そのため、例えば、坂道でエンストするような事態が発生すると非常に危険であり、重大な事故に発展する可能性もある。

特開２０１２−２１９６８８号広報 特開２０１２−１９７７８５号広報 特開２０１２−１２６１８９号広報 特開２０１２−０９２８０９号広報 特開２０１２−０８２７１２号広報 特開２０１２−０７７７１９号広報

ここで、失火状態が発生したこと自体は、内燃機関の回転変動や、燃焼室に発生するイオンの挙動や、吸気管などの圧力検出などに基づいて検出可能であるとしても（特許文献１〜特許文献６）、上記したような事故の可能性を考慮すれば、失火の発生を未然に防止できる燃焼制御が望まれるところでる。

本発明は、上記の問題点に鑑みてなされたものであって、プラグ劣化を早期に検出し、もしプラグ劣化が認められる場合には、特別な燃焼制御を実現することで、失火発生を未然防止できる燃焼制御装置を提供することを目的とする。

上記の目的を達成するため、本発明は、一次コイルと二次コイルとを有する点火コイルと、前記一次コイルの通電を制御するスイッチング素子と、前記スイッチング素子に点火信号を供給してＯＮ／ＯＦＦ動作させる制御装置と、前記二次コイルの誘起電圧を受けて放電動作をする点火プラグと、前記点火プラグの放電動作を特定可能な検出信号を出力する検出回路と、を有して構成され、スイッチング素子に点火信号が供給された後、前記検出回路から取得された検出信号に基づいて点火プラグの放電時間を把握し、把握した放電時間が、運転条件毎に規定された限界値を下回るか否かを判定する第１手段と、第１手段の判定結果の集計値に基づいて、点火プラグが使用限界を超えて劣化しているか否かを判定する第２手段と、第２手段によって点火プラグが劣化している判定される場合には、その後は、目標値を抑制した燃焼制御を実行することで失火の回避を図る第３手段と、を備えることを特徴とする。

本発明者の研究によれば、図１に模式的に示す通り、運転負荷が高いほど、点火プラグの放電時間（継続時間幅）が低下する。それは、運転負荷が高いほど、管内圧力が高まるので、絶縁破壊電圧が増加するためと解される。そして、プラグ劣化時には、同一の運転負荷であって、且つ、点火コイルに充電される充電エネルギーが同一でも、放電時間が減少することが明らかとなった。また、図１（ｂ）に模式的に示す通り、気筒内の流速に対応して放電時間が低下するところ、プラグ劣化時には、同一の運転負荷であっても、放電時間が減少することが明らかとなった。

したがって、上記した図１に示される特性によれば、プラグ劣化時には、点火放電が実現されても、その継続時間が短く火種が消滅して失火する可能性が高いことになる。しかし、本発明では、プラグ劣化を素早く検出して、プラグ劣化時には、運転負荷を増加させることなく（図１（ａ）の一点鎖線参照）、また、気筒内流速が増加しないように制御することで（図１（ｂ）の一点鎖線参照）、失火発生を未然防止している。なお、本発明では、プラグ劣化時には、目標値を下回る抑制制御を実行するので、危険な状態を回避できる一方で、本来の運転出力が得られないが、プラグ劣化を運転者に報知して、点火プラグの交換を要請することで、適切な運転状態を復旧させることができる。

本発明において、点火プラグの放電時間の限界時間は、運転条件毎に規定されるが、運転条件とは、例えば、内燃機関の回転数と、運転負荷とで特定される。なお、運転負荷は、例えば、第３手段を機能させない状態での吸気管圧力で特定される。

本発明の第３手段は、例えば、電子制御スロットルシステムにおいて、アクセルペダルに対する操作量に拘わらず燃焼室への吸気量を抑制することで実現される。ここで、電子制御スロットルシステムとは、アクセルペダルとエンジンのスロットル間を電気的に接続して制御する機構を意味し、本実施態様では、本来の目標値を下回る吸気量となるので筒内圧力の増加が抑制される分だけ、劣化したプラグにおいても点火放電が安定化され、失火状態を未然に回避することができる。

また、本発明の第３手段は、好ましくは、ＥＧＲ制御におけるＥＧＲ量を抑制することで実現される。ここで、ＥＧＲ制御とは、燃焼後の排気ガスの一部を取り出し、吸気側へ導き再度吸気させることで、排出ガス中の窒素酸化物を低減させ、また、燃費向上を図る制御を意味する。このＥＧＲ制御においてＥＧＲ量が増加すると、点火火花が吹き飛ばされる可能性があり、特に、プラグ劣化時には、放電時間が短いので、この可能性が上がるところ、本実施形態では、ＥＧＲ量が抑制されるので、失火の可能性を低減することができる。なお、外部ＥＧＲ、内部ＥＧＲの何れの場合にも本発明は適用可能である。

また、本発明の第３手段は、好ましくは、過給圧制御の制御量を抑制することで実現される。ここで、過給圧とは、過給機により内燃機関へ強制的に送り込まれる圧縮された空気圧を意味し、例えば、レシプロエンジンでは、ターボチャージャーやスーパーチャージャーなどの過給機から供給される過給圧が高まるほど一般に出力が向上する。しかし、本実施態様では、プラグ劣化時には、過給圧の供給が停止ないし抑制されるので、過給圧による失火の可能性が確実に低減される。

本発明はまた、スイッチング素子に点火信号が供給された後、前記検出回路から取得された検出信号に基づいて点火プラグの放電時間を把握し、把握した放電時間が、運転条件毎に規定された基準値を上回るか否かを判定する第４手段と、第４手段の判定結果の集計値に基づいて、点火プラグが交換されたか否かを判定する第５手段と、第５手段によって点火プラグに交換されたと判定される場合には、その後は、必要に応じて、更新した限界値や基準値に基づいて判定処理を実行するのが好ましい。

本発明の検出回路は、例えば、点火放電が開始された後の一次コイルの電圧を検出する構成、点火放電が開始された後の二次コイルの電流を検出する構成、内燃機関の燃焼状態を示すイオン電流に比例した検出信号を出力する構成を採るのが効果的である。

上記した本発明によれば、プラグ劣化を早期に検出し、もしプラグ劣化が認められる場合には、特別な燃焼制御を実現することで、失火発生を未然防止できる燃焼制御を実現することができる。

本発明の動作原理を説明する図面である。 第１実施例と第２実施例に係る燃焼制御装置の構成を示す回路図である。 燃焼制御装置の動作内容を説明するフローチャートである。 第３実施例の燃焼制御装置の構成を示す回路図である。 第４実施例の燃焼制御装置の構成を示す回路図である。 第３実施例の検出回路の動作を示すタイムチャートである。 第４実施例の検出回路の動作を示すタイムチャートである。

以下、実施例について更に詳細に説明する。図２（ａ）と図２（ｂ）は、第１実施例と第２実施例に係る燃焼制御装置ＣＴＬを示す回路図である。

図２に示す燃焼制御装置ＣＴＬは、内燃機関の電子制御ユニットたるＥＣＵ（Engine Control Unit ）と、一次コイルＬ１と二次コイルＬ２からなる点火コイルＣＬと、ＥＣＵから受ける点火パルスＰＬＳに基づく遷移動作によって一次コイルＬ１の電流をＯＮ／ＯＦＦ制御するスイッチング素子Ｑと、二次コイルＬ２の誘起電圧を受けて放電動作をする点火プラグＰＧと、点火プラグＰＧの放電時間を検出可能な検出回路ＤＥＴと、を中心に構成されている。

ここで、ＥＣＵには、その時々の運転条件に対応して、点火プラグが劣化していると評価すべきか、或いは、特性の異なる点火プラグに交換されたと評価すべきかを判定可能な参照テーブルＴＢＬが設けられている。運転条件は、例えば、エンジンの吸気管圧力と、エンジンの回転数などで特定され、これらを検索キーとして参照テーブルＴＢＬを検索することで、個々の運転条件毎に、その時の平均的な放電時間（基準値）と、正常な放電時間として許容可能な最小値（限界値）とが特定されるようになっている。なお、参照テーブルＴＢＬは、書き換え可能な不揮発性メモリに配置されており、点火プラグが交換されたと判定された場合には、新規の点火プラグに対応して基準値と限界値とが新規に記憶される。

特に限定されないが、スイッチング素子Ｑとしては、例えば、ＩＧＢＴ（Insulated Gate Bipolar Transistor ）が使用される。この場合、スイッチング素子Ｑのゲート端子は、点火パルスＰＬＳを受け、コレクタ端子は、一次コイルＬ１を経由してバッテリ電圧ＶＢを受ける。そして、エミッタ端子は、グランドに接続される。

図示の通り、図２（ａ）の検出回路ＤＥＴは、スイッチング素子Ｑのコレクタ端子（検出点Ｘ）から検出電圧を取得するよう構成されている。検出点Ｘの電位は、スイッチング素子ＱのＯＮ動作時にはグランドレベルであるが、点火パルスＰＬＳが途絶えてスイッチング素子ＱがＯＦＦ遷移した後は、検出点Ｘには、２次コイルＬ２に流れる放電電流に対応した一次逆圧が現れる。

そして、その後、放電電流の収束に対応して、検出点Ｘの電位は、定常レベル（ＶＢ）に収束する。そこで、ＥＣＵでは、この一次逆圧が発生して収束するまでの経過時間に基づいて、点火プラグＰＧの放電時間を特定している。

一方、図２（ｂ）の検出回路ＤＥＴは、二次コイルＬ２に直列接続された検出抵抗Ｒｓの両端電圧を、検出電圧として取得するよう構成されている。検出点Ｘの電位は、点火放電時に所定レベルで検出されるので、ＥＣＵは、その値に基づいて、点火プラグＰＧの点火放電時間を特定している。

図３（ａ）は、ＥＣＵの動作を説明するフローチャートであり、点火コイルの点火放電時に実行される動作を示している。ＥＣＵは、検出回路ＤＥＴからの検出信号に基づいて、放電時間（放電継続時間）を特定する（ＳＴ１）。次に、その時の運転条件に対応して参照テーブルＴＢＬを参照して、基準値と限界値とを特定し、ステップＳＴ１の処理で特定した放電時間と比較判定すると共に、それまでに、ステップＳＴ３やＳＴ６の処理で蓄積されている過去データとも比較判定する（ＳＴ２）。

そして、放電時間が限界値を下回る異常低レベルである場合には、これを記憶すると共に、それまでに蓄積した異常低レベルの放電時間を集計して統計値を算出する（ＳＴ３）。統計値は、特に限定されないが、異常低レベルの放電時間の発生頻度や、異常低レベルの放電時間の平均値などがこれに該当する。

そして、限界値を下回る放電時間の発生頻度が高い場合や、平均値が異常に低レベルであるような場合には（ＳＴ４）、プラグが劣化していると評価してこの旨を運転者に報知すると共に、その後の点火サイクルにおける失火を回避するべく、抑制した燃焼制御に変更する（ＳＴ５）。

その結果、その後の点火サイクルでは、目標値を抑制した燃焼制御が実行される。具体的には、（ａ）電子制御スロットルシステムにおいて、アクセルペダルに対する操作量に拘わらず燃焼室への吸気量を抑制すること、（ｂ）ＥＧＲ制御におけるＥＧＲ量を抑制すること、（ｃ）過給圧制御の制御量を抑制すること、の全部または一部が適宜に選択実行される。

一方、ステップＳＴ２の比較判定において、ステップＳＴ１の処理で特定した放電時間が、基準値を大きく上回ったり、或いは、過去データから大きく改善していると評価される場合には、これを記憶すると共に、それまでに蓄積した異常高レベルの放電時間を集計して統計値を算出する（ＳＴ６）。この場合の統計値も、例えば、異常高レベル（改善レベル）の放電時間の発生頻度や、異常高レベルの放電時間の平均値などがこれに該当する。

そして、改善レベルの放電時間の発生頻度が高い場合や、平均値が異常に高レベルであるような場合には（ＳＴ７）、点火プラグが交換されたと評価して、必要があれば、その後の基準値や限界値を変更するべく、参照テーブルＴＢＬのデータを書き換える（ＳＴ８）。また、それまで抑制した燃焼制御を実行していた場合には、その後は通常の燃焼制御を実行する（ＳＴ８）。

以上の通り、本実施例によれば、プラグ劣化を早期に検出し、失火発生を未然防止できるのでエンジントラブルによる事故発生を防止することができる。

ところで、点火プラグの放電時間を特定する方法は、図２の回路構成に何ら限定されない。図４は、第３実施例の検出回路ＤＥＴを示す回路図であり、点火放電時（ａ）と点火放電終了後（ｂ）の電流通路を示している。なお、検出回路ＤＥＴ以外の回路構成は、第１実施例や第２実施例と同じである。

図示の検出回路ＤＥＴは、燃焼室に発生するイオン信号Ｖｏが検出可能に構成され、反転増幅器として機能するＯＰアンプＡＭＰと、コンデンサＣ１と、ツェナーダイオードＺＤと、ダイオードＤ１，Ｄ２と、抵抗Ｒ１〜Ｒ３とを有して構成されている。ここで、コンデンサＣ１とツェナーダイオードＺＤの並列回路によって、イオン信号検出時のバイアス電圧が生成される。

また、図示の検出回路ＤＥＴにおいて、二次コイルＬ２の高圧端子は、点火プラグＰＧに接続され、低圧端子は、前記バイアス電圧を生成するコンデンサＣ１及びツェナーダイオードＺＤの並列回路に接続されている。そして、コンデンサＣ１及びツェナーダイオードＺＤの並列回路は、ダイオードＤ１を通して、グランドに接続されている。なお、ダイオードＤ１のカソード端子がグランドに接続されている。

一方、ダイオードＤ１のアノード端子は、電流制限抵抗Ｒ１を経由してＯＰアンプの反転入力端子（−）に接続されている。そして、ＯＰアンプＡＭＰの反転入力端子（−）と出力端子の間に、電流検出抵抗Ｒ２が接続され、出力端子のグランド間には、負荷抵抗Ｒ３が接続されている。また、ＯＰアンプの非反転端子（＋）は、グランドに接続され、反転端子（−）には、ダイオードＤ２のカソード端子が接続されている。ダイオードＤ２のアノード端子はグランドに接続されている。

上記した構成の燃焼制御装置ＣＴＬでは、点火パルスＰＬＳの立下りタイミング（図６（ａ）参照）において、二次コイルＬ２に誘起される高電圧によって点火プラグＰＧが放電する。この放電電流は、点火プラグＰＧ→二次コイルＬ２→コンデンサＣ１→ダイオードＤ１の経路（マイナス放電経路）で流れるので、コンデンサＣ１は、ツェナーダイオードＺＤの降伏電圧により規定される電圧値に充電される（図４（ａ）参照）。

点火プラグＰＧの放電によって燃焼室の混合気が着火されると、その後、急速に燃焼反応が進行するが、イオン電流ｉは、電流検出抵抗Ｒ２→電流制限抵抗Ｒ１→コンデンサＣ１→二次コイルＬ２→点火プラグＰＧの経路で流れる。したがって、ＯＰアンプＡＭＰの出力電圧Ｖｏは、Ｖｏ＝Ｒ２＊ｉとなり、イオン電流ｉに比例したイオン信号となる。

図６は、この動作内容を示すタイムチャートであり、イオン信号が有意に増加するタイミングは、点火放電が終わったことを意味している。そこで、この実施例では、点火パルスＰＬＳの立下り時から、イオン信号が所定レベルの閾値ＴＨを超えるタイミングまでの期間によって放電時間を特定している。

具体的には、図３（ｂ）に示す通りであり、第３実施例における、放電時間の特定処理（ＳＴ１）を示している。ＥＣＵは、点火パルスを立下げた後、変数ｉをクリアした上で（ＳＴ１１）、サンプリング周期毎に変数ｉを更新しつつ（ＳＴ１６）、ステップＳＴ１２〜ＳＴ２０の処理を実行する。

具体的には、先ず、イオン信号Ｖｏたる検出信号ＳＧ（ｉ）を取得して、閾値ＴＨを超えるか否かに基づいて、検出信号ＳＧ（ｉ）をパルス信号化する（ＳＴ１２）。そして、パルス信号がＬレベルであれば判定フラグＦＬＧを０にした上で、変数ｉをインクリメントしてステップＳＴ１２に戻る。

一方、Ｈレベルのパルス信号が得られた場合には、次に、そのタイミングにおいて、判定フラグＦＬＧが０か否かを判定する（ＳＴ１７）。ここで、もしＦＬＧ＝０であれば、今回のタイミングで、初めてパルス信号がＨレベルに増加したことを意味する。そこで、その場合には、判定フラグＦＬＧを１にセットすると共に、開始タイミングを規定する変数ＳＴに変数ｉの値を代入する（ＳＴ１８）。

そのため、その後にサンプリングされた検出信号ＳＧ（ｉ）をパルス化したパルス信号がＨレベルの場合には、ステップＳＴ１８の処理がスキップされることになる。このような処理を繰り返しつつ、検出信号のサンプリングを繰り返していると、やがて、変数ｉと変数ＳＴの差が大きくなるので、基準幅Δを超えて、Ｈレベルが継続されることを条件に、放電時間をｉ−Δと規定する（ＳＴ２０）。なお、基準幅Δを設けるのは、ノイズの影響を排除して誤判定を防止するためである。

以上、マイナス放電を実現する図４の検出回路ＤＥＴについて説明したが、プラス放電を実現する図５の検出回路ＤＥＴを使用することもできる。この検出回路では、二次コイルＬ２に誘起される高電圧による放電電流は、ダイオードＤ１→コンデンサＣ１→ダイオードＤ２→二次コイルＬ２→点火プラグＰＧの経路（プラス放電経路）で流れ、コンデンサＣ１は、ツェナーダイオードＺＤの降伏電圧により規定される電圧値に充電される（図５（ａ）参照）。なお、この時、抵抗Ｒ３→抵抗Ｒ２を経由する電流も流れるので、ＯＰアンプＡＭＰの出力は、正の飽和レベルとなる（図７参照）。

その後、点火放電が収まると、その後は、抵抗Ｒ３→抵抗Ｒ２→コンデンサＣ１→抵抗Ｒ１→二次コイルＬ２→点火プラグＰＧの経路で、イオン電流ｉが流れる。ただし、イオン電流が流れ始めるまでに、短時間だけ、電流がゼロとなる区間が存在する（図７参照）。したがって、第４実施例の検出回路ＤＥＴでは、イオン信号Ｖｏたる検出信号ＳＧ（ｉ）を取得して、閾値ＴＨを超えるか否かに基づいてパルス信号化し、このパルス信号が点火放電開始後、初めてＬレベルに変化するまでの期間を点火時間と特定することができる。

そして、特定された点火時間は、図３のステップＳＴ２〜ＳＴ８の処理を経て評価され、点火プラグが劣化状態か否か、或いは、点火プラグが交換されたか否かが判定される。また、この評価結果に対応した燃焼制御が実行されるので、失火発生を未然に防止することができる。

以上、本発明の実施例について詳細に説明したが、具体的な記載内容は、特に本発明を限定するものではない。例えば、実施例では、検出回路として、最も簡易な回路構成を例示したが、より複雑な回路構成と採っても良いのは勿論である。

Ｌ１ 一次コイル
Ｌ２ 二次コイル
ＣＬ 点火コイル
Ｑ スイッチング素子
ＥＣＵ 制御装置
ＰＧ 点火プラグ
ＤＥＴ 検出回路
ＳＴ１〜ＳＴ２ 第１手段
ＳＴ３〜ＳＴ４ 第２手段
ＳＴ５ 第３手段

Claims (6)

1. 一次コイルと二次コイルとを有する点火コイルと、前記一次コイルの通電を制御するスイッチング素子と、前記スイッチング素子に点火信号を供給してＯＮ／ＯＦＦ動作させる制御装置と、前記二次コイルの誘起電圧を受けて放電動作をする点火プラグと、前記点火プラグの放電動作を特定可能な検出信号を出力する検出回路と、を有して構成され、
   スイッチング素子に点火信号が供給された後、前記検出回路から取得された検出信号に基づいて点火プラグの放電時間を把握し、把握した放電時間が、運転条件毎に規定された限界値を下回るか否かを判定する第１手段と、
   第１手段の判定結果の集計値に基づいて、点火プラグが使用限界を超えて劣化しているか否かを判定する第２手段と、
   第２手段によって点火プラグが劣化している判定される場合には、その後は、目標値を抑制した燃焼制御を実行することで失火の回避を図る第３手段と、
   を備えることを特徴とする内燃機関の燃焼制御装置。
2. 第３手段は、人為的な操作量に拘わらず燃焼室への吸気量を抑制すること、ＥＧＲ制御におけるＥＧＲ量を抑制すること、過給圧制御の制御量を抑制すること、の全部または一部で実現される請求項１に記載の燃焼制御装置。
3. スイッチング素子に点火信号が供給された後、前記検出回路から取得された検出信号に基づいて点火プラグの放電時間を把握し、把握した放電時間が、運転条件毎に規定された基準値を上回るか否かを判定する第４手段と、
   第４手段の判定結果の集計値に基づいて、点火プラグが交換されたか否かを判定する第５手段と、
   第５手段によって点火プラグに交換されたと判定される場合には、その後は、必要に応じて、更新した限界値や基準値に基づいて判定処理を実行する請求項１又は２に記載の燃焼制御装置。
4. 前記検出回路は、点火放電が開始された後の一次コイルの電圧を検出する構成を有する請求項１〜３の何れかに記載の燃焼制御装置。
5. 前記検出回路は、点火放電が開始された後の二次コイルの電流を検出する構成を有する請求項１〜３の何れかに記載の燃焼制御装置。
6. 前記検出回路は、内燃機関の燃焼状態を示すイオン電流に比例した検出信号を出力する構成を有する請求項１〜３の何れかに記載の燃焼制御装置。

Images